不同填筑方法對水庫棄渣場邊坡穩(wěn)定性影響

肖建宇，王壽武，何玉瓊，黃 犀

(1.昆明理工大學(xué)，云南昆明650504；2.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545000)

0 引 言

棄渣場主要用于堆填土石方開挖后產(chǎn)生的不能利用的多余土石材料，其穩(wěn)定性對附近道路、橋梁、房屋等建筑物的安全具有重要意義。近年來，研究人員對于棄渣場的關(guān)注與研究逐漸增多，基于棄渣場土體各向同性假定為理論前提，利用有限元方法對棄渣場的穩(wěn)定、滲流、變形等開展研究。孫朝燚等[1]基于有限元強(qiáng)度折減法對影響棄渣場穩(wěn)定性因素空間效應(yīng)進(jìn)行了探討；王光輝[2]通過有限元軟件模擬分析了降雨條件下棄渣場邊坡穩(wěn)定性；抗興培等[3]基于土體材料各向同性假定及有限元網(wǎng)格思想，利用GEO-Studio軟件研究了棄土場邊坡在強(qiáng)降雨條件下的穩(wěn)定性。有些學(xué)者認(rèn)為棄渣場土體具有明顯的分層特點(diǎn)，不同土層物理力學(xué)性質(zhì)差異很大，基于棄渣場土體材料各向異性，利用離散元原理開展研究。羅浩等[4]著眼棄渣場渣土體粒徑分級特點(diǎn)，基于離散元原理，利用PFC離散元軟件研究了棄渣場邊坡在考慮巖土體顆粒級配條件下降雨失穩(wěn)；張小雪等[5]采用離散元顆粒流理論，認(rèn)為土體是散體材料，用顆粒流方法模擬邊坡滑動(dòng)及破壞，相比基于材料連續(xù)介質(zhì)假定的傳統(tǒng)有限元分析法更具有優(yōu)越性。

就目前研究發(fā)展而言，不少學(xué)者開始把目光轉(zhuǎn)向基于離散元顆粒流理論的研究方法，對散體介質(zhì)類型邊坡進(jìn)行研究[6-7]。針對棄渣場的土體顆粒粒徑對棄渣場邊坡穩(wěn)定性的影響，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一些重要探索，但對棄渣場不同顆粒分層填筑方法對棄渣場邊坡穩(wěn)定性影響目前研究較少。為此，本文基于離散元顆粒流理論，利用PFC2D軟件分析了棄渣場邊坡穩(wěn)定對不同渣土體顆粒分層填筑方式的響應(yīng)機(jī)制，可為棄渣場建設(shè)以及后續(xù)研究提供參考。

1 工程概況

棄渣場位于云南省昆明市東川區(qū)某新修水庫大壩下游300 m處、包谷山村腳即昆綏公路下方。渣場是為了堆放水庫大壩樞紐工程和渠系工程土石方開挖產(chǎn)生的多余棄渣而建，主要堆放大壩基礎(chǔ)開挖、溢洪道開挖、導(dǎo)流洞開挖、輸水洞開挖、場內(nèi)公路等開挖的土石方。棄渣渣場的實(shí)際棄渣量約為82萬m3，分四級棄渣平臺，從一級棄渣平臺往上逐漸收口，棄渣前期采用自然傾倒形成水平顆粒分層，后期通過人為規(guī)劃采用豎向分層填筑。棄渣場概況見圖1。依據(jù)壩址地質(zhì)勘探資料以及棄渣場渣體分布現(xiàn)場勘察情況，從地表往下為坡積土(厚度為2 m)，以下為泥巖，棄渣場坡腳設(shè)置擋土墻。

圖1 棄渣場概況

表1 土體微觀參數(shù)參考值

2 數(shù)值模型

2.1 原理與方法

在離散元軟件PFC2D中，主要的計(jì)算單元由墻體wall、球ball兩者構(gòu)成?；谂ｎD第二定律，通過顆粒間及顆粒與墻體間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系來進(jìn)行模擬各種力學(xué)現(xiàn)象，其基本的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中，m為顆粒的質(zhì)量；x為位移；t為時(shí)間；c為黏性阻尼系數(shù)；k為剛度系數(shù)；f為單元受到的外荷載。

PFC中wall與ball、ball與ball之間的相互作用關(guān)系主要由接觸來實(shí)現(xiàn)，其接觸類型按作用對象可分為ball-facet、ball-ball這2種類型(其中wall由facet組成)。在PFC中要準(zhǔn)確模擬材料的本構(gòu)關(guān)系是通過選擇合適的顆粒與顆粒間、顆粒與墻體間接觸模型來實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)前人研究成果[8-9]，本次模擬中坡積層顆粒與基巖(由wall進(jìn)行模擬)間，以及渣土體顆粒間的接觸模型均采用平行黏結(jié)模型。

2.2 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

通過前期學(xué)者采用顆粒流理論分析邊坡穩(wěn)定性的研究方法[10-12]可以得出，不同于有限元分析，模型所需參數(shù)可以通過物理試驗(yàn)直接獲取，顆粒流分析則需要通過一定量的試樣數(shù)值模擬試驗(yàn)與實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行比較，通過不斷調(diào)整顆粒、顆粒間接觸等微觀參數(shù)，使試樣的宏觀參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)獲得的巖土體宏觀參數(shù)基本接近時(shí)，即表明數(shù)值模擬的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定完成。本次試樣的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定采用雙軸壓縮試驗(yàn)方法，通過數(shù)值模擬與實(shí)際土體的宏觀力學(xué)參數(shù)逼近，從而獲取微觀參數(shù)；根據(jù)前期有關(guān)學(xué)者的研究[8-9]，本文細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定主要通過調(diào)節(jié)顆粒的法向和切向剛度比(kratio)，以及調(diào)整平行黏結(jié)模型中有效模量來實(shí)現(xiàn)。土體的細(xì)觀參數(shù)見表1。

2.3 模型建立

模型以棄渣場典型縱向斷面作為PFC2D模擬斷面，認(rèn)為基巖層不產(chǎn)生滑動(dòng)，采用wall幾何體表示基巖層，坡積層以及棄渣層按照一定顆粒組成，用膨脹法生成顆粒，即用ball模擬巖土體顆粒。從現(xiàn)場坡積層的特征位置及棄渣層各臺階處取代表性土樣，通過室內(nèi)篩分及激光粒度分析試驗(yàn)，參考前人研究結(jié)論[13-15]，依據(jù)土體顆粒力學(xué)性能主要取決于粗顆粒，將土體粒徑小于0.007 5 mm考慮為0.007 5 mm。棄渣層與坡積層土體顆粒粒徑大于2 mm的占巖土體質(zhì)量百分比為60%～80%，因此在模擬中顆粒取2 mm以上進(jìn)行分組，2～10 mm為細(xì)顆粒組，10～20 mm為中顆粒組，20～40 mm為粗顆粒組。為加快計(jì)算速度，且為避免顆粒數(shù)過多造成計(jì)算機(jī)運(yùn)算過慢，統(tǒng)一把顆粒粒徑放大10倍。通過采用水平及豎向分層2種不同堆填方式，分析其對棄渣場邊坡穩(wěn)定性影響。模型生成后，施加約束條件。由于棄渣場后緣與山體填平，山體對土體有支擋作用，且棄渣場坡腳處有攔渣擋土墻支擋，欄渣擋土墻狀況良好，沒有出現(xiàn)裂縫及位移現(xiàn)象，因此模型左側(cè)和右側(cè)顆粒限制其x方向(平距方向?yàn)閤向，高程方向?yàn)閥向)位移及轉(zhuǎn)動(dòng)，作為模型邊界進(jìn)行控制。

2.4 模型計(jì)算分析

本次建模主要研究棄渣場土體基于不同顆粒分組條件下采用不同填筑方式，完成填筑后棄渣場邊坡在重力作用下土體顆粒的位移情況，以此來評價(jià)采用何種填筑方式更有利于棄渣場邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)模型計(jì)算的不平衡力值隨著計(jì)算時(shí)步增加逐漸接近于0時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)力學(xué)計(jì)算平衡要求。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 水平分層填筑

在水平分層模擬中，棄渣場每層棄渣臺階按照大致水平方向設(shè)置3個(gè)顆粒粒徑分層。每級臺階分層為3層，最底下1層為粗顆粒組，粒徑范圍為0.2～0.4 m；第2層為中顆粒組，粒徑范圍為0.1～0.2 m；第3層是細(xì)顆粒組，顆粒粒徑范圍為0.02～0.1 m。棄渣場原位邊坡松散坡積層土體顆粒按照室內(nèi)試驗(yàn)獲得的級配，基于軟件內(nèi)置命令來生成。二維邊坡水平分層模型共生成顆粒59 515個(gè)，坡積層與基巖的分界面用wall進(jìn)行模擬。水平分層填筑及位移見圖2。

圖2 水平分層填筑及位移

顆粒及邊界條件設(shè)定后，分析巖土體在重力作用下的運(yùn)動(dòng)情況，重點(diǎn)對各臺階顆粒的位移情況進(jìn)行分析。通過PFC2D自帶編程的fish語言自編程，得到每個(gè)臺階分層中所有顆粒的位移值、顆粒數(shù)，求出每個(gè)土體顆粒分層的平均位移量，并利用其統(tǒng)計(jì)每個(gè)顆粒分層中的顆粒數(shù)與平均位移量列表進(jìn)行分析(見表2)。通過表2數(shù)據(jù)(顆粒數(shù)與平均位移量)繪制核電子密度圖(見圖3)。從圖3可知，土體顆粒的平均位移與顆粒個(gè)數(shù)沒有直接聯(lián)系，主要取決于顆粒粒徑及填筑方式。整體來看，采用水平分層填筑法粗顆粒組的平均位移較小，但中顆粒組及細(xì)顆粒組的平均位移量大，甚至產(chǎn)生張拉裂縫，與現(xiàn)場情況實(shí)際情況(現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，棄渣場前期采用水平分層填筑形成的第3級棄渣體臺階外邊緣側(cè)出現(xiàn)1條長約20 m，寬為5～10 mm的水平向裂縫)基本吻合。

表2 水平分層填筑法顆粒位移

圖3 水平分層填筑法核電子密度

3.2 豎向分層填筑

在豎向分層模擬中，棄渣場每層棄渣臺階按照大致垂直于水平的豎直方向設(shè)置3個(gè)顆粒粒徑分層。每級臺階分層為3層，從左至右靠近坡積層的第1層為細(xì)顆粒組，粒徑范圍為0.02～0.1 m；第2層為中顆粒組，粒徑范圍為0.1～0.2 m；第3層是粗顆粒組，顆粒粒徑范圍為0.2～0.4 m。棄渣場原位邊坡的松散坡積層顆粒生成，以原位邊坡取樣土體室內(nèi)試驗(yàn)獲得的級配曲線為依據(jù)。二維邊坡豎向分層模型共生成顆粒60 763個(gè)，坡積層與基巖的分界面用wall進(jìn)行模擬，并計(jì)算最終位移。豎向分層填筑及位移見圖4。

圖4 豎向分層填筑及位移

為更好地對比分析，同樣通過PFC2D自帶編程的fish語言自編程，計(jì)算得到每個(gè)臺階分層中所有顆粒的位移值，并統(tǒng)計(jì)各層的顆粒數(shù)，依次求出每個(gè)土體顆粒分層的平均位移量并列表分析，見表3。通過表3數(shù)據(jù)(顆粒數(shù)與平均位移量)進(jìn)一步繪制核電子密度圖(見圖5)。從圖5可知，土體顆粒的平均位移與顆粒個(gè)數(shù)沒有直接聯(lián)系，主要取決于顆粒粒徑以及填筑方式。整體來看，采用豎向分層填筑法粗顆粒組的平均位移較大，但中顆粒組及細(xì)顆粒組的平均位移量有很大幅度的減小，對棄渣場邊坡的穩(wěn)定有重要意義?，F(xiàn)場填筑見圖6。

3.3 水平與豎向分層填筑對比

(1)采用水平分層填筑法，即粗顆粒層在每層臺階的最底層，從下往上依次為中顆粒組層、細(xì)顆粒組層，粗粒組位移平均值出現(xiàn)最大概率密度的對應(yīng)值為0.105 m，中粒組為0.085～0.103 m，細(xì)粒組為0.247～0.291 m。可以說明，土體顆粒的位移與顆粒粒徑有密切的關(guān)系。

表3 豎向分層填筑法顆粒位移

圖5 豎向分層填筑法核電子密度

(2)采用豎向分層填筑法，即粗顆粒層從左至右分別為細(xì)顆粒組層、中顆粒組層及粗顆粒組層，粗粒組位移平均值出現(xiàn)最大概率密度的對應(yīng)值為0.074～0.087 m，中粒組為0.076～0.102 m，細(xì)粒組為0.055～0.075 m。進(jìn)一步說明，土體顆粒的位移與顆粒粒徑有密切的關(guān)系，但與顆粒個(gè)數(shù)關(guān)系不大。

(3)采用水平分層填筑法棄渣場4個(gè)臺階均出現(xiàn)較大位移區(qū)域(位移值在0.2 m)，位移較大區(qū)域在臺階的坡腳和坡頂位置均出現(xiàn)，且在第4臺階處每個(gè)填筑層均出現(xiàn)位移較大區(qū)域，坡頂出現(xiàn)圓弧形大位移區(qū)域，對于邊坡的穩(wěn)定不利。

圖6 豎向分層填筑

(4)采用豎向分層填筑法，即依據(jù)山體走向豎向分層堆填渣土，從最終的位移圖可以發(fā)現(xiàn)，棄渣場4個(gè)棄渣平臺僅第2臺階出現(xiàn)大位移區(qū)且區(qū)域面積很小，沒有形成連片的位移區(qū)域，對于棄渣場邊坡的穩(wěn)定有積極作用。

4 結(jié) 語

本文基于離散元顆粒流PFC2D軟件，對采用水平與豎向2種分層填筑方法水庫棄渣場邊坡進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)采用水平分層填筑法，粗顆粒組平均位移值較小，但中顆粒與細(xì)顆粒組平均位移值較大，整個(gè)棄土場邊坡的大位移區(qū)域面積大，對邊坡穩(wěn)定不利。

(2)采用豎向分層填筑法，粗顆粒組平均位移值較大，但中顆粒與細(xì)顆粒組平均位移值較小，整個(gè)棄土場邊坡的大位移區(qū)域面積小，對邊坡穩(wěn)定有利。

(3)棄渣場邊坡土體顆粒的位移主要與顆粒粒徑以及顆粒的分層填筑方式相關(guān)，與顆粒的數(shù)量多少關(guān)系不明顯。

(4)采用離散元模擬土體材料可以彌補(bǔ)有限單元及有限差分法中的一些不足，充分考慮材料的不均勻性、非連續(xù)性以及土體材料的顆粒差異。